海南省甘什嶺自然保護區景觀格局與生境質量分析

丁山，林瑞秀，陳勝蘭，李新建

1.國家林業和草原局中南調查規劃院，湖南長沙 410014；

2.海南省林業科學研究院(海南省紅樹林研究院)，海南?？?571100

自然保護區作為脆弱生態系統和珍稀野生動植物的聚集地，受到自然和人為因素的多重作用，也深刻影響著保護區的景觀格局及其生境質量狀況。景觀格局是由形狀大小不同的景觀斑塊在景觀空間上的排列，體現了景觀的異質性，是諸多自然和人為因素在不同時空尺度上作用的最終結果[1-2]。生境質量是指生態系統提供適宜個體與種群持續發展生存條件的能力，可以在一定程度上反映區域生物多樣性狀況[3]。土地利用是人類活動的一種重要表現方式，土地利用改變造成生態系統內部結構、過程和功能發生巨大變化，是導致生境質量退化和喪失最主要的因子[4]。王耕等[5]以遙感影像為數據源，分析老鐵山自然保護區景觀格局變化趨勢，并采用InVEST 模型計算生境質量，探討了該地區20 年來人類干擾強度與生境質量的時空變化；顧羊羊等[6]基于Landsat影像數據，在Fragstats 和InVEST 軟件支持下分析了沅江源自然保護區土地利用變化與景觀格局特征，探討保護區生境質量變化規律?？梢?，科學評估區域景觀格局和生境質量對于認識自然保護區生態系統狀況具有重要意義。

2019 年6 月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》，提出建立以國家公園為主體的自然保護地體系，要求開展自然保護地整合優化，科學劃定分類管控區域。因此，開展自然保護區生態系統格局和質量評估是科學劃定功能分區、編制自然保護地發展規劃的重要前提。

該文以海南省甘什嶺自然保護區為研究對象，利用2020 年最新森林資源二類調查數據，評估保護區的景觀格局與生境質量，分析其生態系統狀況，以期為甘什嶺自然保護區的功能區優化、生態修復和生物多樣性保護提供數據支撐及科學參考。

1 研究區概況

海南甘什嶺省級自然保護區地處海南島南部（18°21′17″N～18°24′12″N，109°33′55″E～109°41′38″E），位于三亞與保亭交界處（見圖1），屬于熱帶海洋季風性氣候。甘什嶺地貌屬低山丘陵地，為五指山脈南麓的延伸部分，地勢自南向北依次升高。區內年平均溫度24.5℃，太陽輻射年總量134 kcal/m2，平均年積溫9254.5℃，年降雨量約1600mm，干濕季明顯。保護區總面積1843.83 hm2，區劃為核心區、緩沖區和實驗區。距三亞市區約30 km，地跨羅蓬、大茅、沙姜園等村，海榆中線公路從保護區中部穿過，交通便利。保護區以珍稀野生動植物資源及其生境為主要對象，全面保護完整的自然生態系統以及豐富而珍貴的動、植物資源，保護區是世界唯一分布有珍稀瀕危植物無翼坡壘的區域。據不完全統計，保護區內有維管植物181 科744 屬1413種，記錄有陸生脊椎動物70 科192 種，生物多樣性十分豐富。

圖1 研究區位置Fig. 1 The Location of the Research Area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

海南省甘什嶺省級自然保護區邊界矢量數據來源于海南省林業局，土地利用分類數據以2020 年三亞市森林資源二類調查數據為基礎，結合2021 年林地變更數據進行對比修正，并以保護區范圍為掩膜得到土地利用分類矢量數據。由于保護區內以森林生態系統為主，將其進一步細分，最終將保護區的土地利用類型劃分為喬木林、灌木林、橡膠林、檳榔林、相思林、果樹林、建設用地、水域共8 種景觀類型（見圖2）。

圖2 甘什嶺自然保護區土地利用分類Fig.2 Land Use Classification of Ganshiling Nature Reserve

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局分析

根據相關研究成果，該研究中景觀格局分析分別從類型水平和景觀水平兩個方面進行統計描述[7-8]，其中類型水平指數選取了景觀面積（CA）、景觀面積比例（PLAND）、斑塊數量（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數（LPI）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數（LSI）和聚集度指數（AI）等8 個，景觀水平指數選取了景觀面積（CA）、斑塊數量（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數（LPI）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數（LSI）、聚集度指數（AI）、香農多樣性指數（SHDI） 和香農均度指數（SHEI） 等9 個。借助ArcGIS 10.3 將土地利用景觀分類矢量圖轉換為5 m×5m 柵格格式，利用Fragstats 4.2 軟件進行分析景觀格局統計分析。

2.2.2 生境質量評估

生境質量評估采用InVEST 3.5.0 模型中的生境質量模塊（Habitat Quality），定量評估保護區生境質量水平，以此反映保護區生態系統生物多樣性狀態及其能為物種提供生存繁衍條件的潛力水平[9]。計算公式如下：

式中，Qxj為第j 類土地利用類型中柵格x 的生境質量；Hj為第j 類土地利用的生境適宜度；Dxj為第j 類土地利用中柵格單元x 的生境退化程度；k 為半飽和系數，模型默認值為0.5，z 為歸一化常量，模型中設置為2.5。R 為威脅因子個數，wr為威脅因子r 的權重，y 為第r 類威脅因子的柵格數，Yr是威脅因子r 柵格單元的總數；irxy為柵格y 的脅迫值ry對柵格x 的脅迫程度，可通過線性或指數衰減求取；βx為各種威脅因子對柵格x 的可達性；Sjr為第j 類土地利用類型對第r 類威脅因子的敏感度；dxy為第r類威脅因子的最大威脅距離。

根據甘什嶺自然保護區實際情況，在InVEST 模型推薦值的基礎上，參考相關研究成果[10-11]，將建設用地土地利用類型作為威脅因子，影響距離為10 km，呈指數空間衰減類型，威脅因子對不同生境類型的敏感度見表1。生境質量取值在[0，1]之間，值越小表示生境質量越低，值越大表示生境質量越高。

表1 不同土地利用類型對生境威脅因子的敏感度Tab.1 Sensitivity of Different Land Use Types to Habitat Threat Factors

3 結果與分析

3.1 景觀格局特征

3.1.1 類型水平

由表2 可知，總體上看，甘什嶺自然保護區景觀類型以林地為主，總面積達1788.78hm2，占總面積的97.01%，為優勢景觀類型；其次為水域，面積為40.54hm2，占2.20%；最少的為建設用地，面積為14.53hm2，占0.79%。從細分景觀類型來看，林地景觀類型中以喬木林為主，面積為1576.70hm2，占總面積的85.51%；其次為果樹林，面積為169.00hm2，占9.17%；再次為灌木林，占1.78%；橡膠林、檳榔林和相思林面積占比較少。

表2 甘什嶺自然保護區類型水平上的景觀格局特征Tab.2 Landscape Pattern Characteristics of Ganshiling Nature Reserve type level

從景觀斑塊數量（NP）來看，建設用地最多，達100 個；其次為灌木林，為61 個；其他景觀類型的景觀斑塊數量相對較少。從平均斑塊面積（MPS）來看，喬木林景觀的平均斑塊面積最大，達157.67hm2/個；其次為果樹林，為8.89hm2/個；再次是水域2.90hm2/個。從最大斑塊指數（LPI）來看，同樣以喬木林、果樹林的較大。從景觀邊緣密度（ED）來看，建設用地的邊緣密度最高，達1374.87m/hm2；其次相思林和檳榔林的也較大；邊緣密度最小的是喬木林，僅為37.34m/hm2。從景觀形狀指數（LSI）來看，以建設用地和灌木林較高，分別為14.15 和11.62。從景觀聚集度指數（AI）來看，喬木林的景觀聚集度較高，達99.48；其次為果樹林、水域和橡膠林，其他景觀類型的聚集度較低。

從以上分析結果可以看出，甘什嶺自然保護區以喬木林為主要景觀類型，斑塊數量少，平均斑塊面積和最大斑塊指數均為最大，景觀聚集度也是最高，這表明喬木林景觀呈集中連片分布，受人為干擾較低。而保護區內的建設用地景觀由于斑塊數量和斑塊邊緣密度最多，導致平均斑塊面積最小且分散，斑塊形狀也較為復雜，聚集程度最低；其次灌木林也呈現相似的分布狀態。

3.1.2 景觀水平

按照自然保護區功能分區劃分為核心區、緩沖區和實驗區3 個，從甘什嶺自然保護區的景觀水平上看（見表3），總體的斑塊數量為226 個，其中核心區的景觀斑塊數量最少，僅有17 個；實驗區的景觀斑塊數量最多，達154 個；緩沖區的景觀斑塊數量為94 個。在3 個功能分區中，核心區的景觀斑塊數量、邊緣密度以及景觀均勻度和景觀多樣性指數等各項指標均為最低，且要顯著低于保護區總體水平，這表明甘什嶺自然保護區核心區景觀的聚集程度更高、完整性最好，斑塊連通性更強，受人為干擾較弱，斑塊呈聚集分布狀態。雖然實驗區的斑塊數量要明顯高于緩沖區，但是在平均斑塊面積、邊緣密度以及景觀聚集度等指標上，實驗區僅略高于緩沖區，這表明實驗區在景觀連通性上要好于緩沖區，這也說明保護區實驗區和緩沖區2 個功能分區受人為干擾較強，造成不同類型景觀的破碎化和形狀的復雜化，斑塊聚集程度和連通性都會受到不同程度破壞。

表3 甘什嶺自然保護區景觀水平上的景觀格局特征Tab.3 Landscape Pattern Characteristics of Ganshiling Nature Reserve Landscape Level

3.2 生境質量空間分布特征

從空間上看（見圖3），甘什嶺自然保護區的生境質量呈現出中間區域高、兩側低的分布格局，總體生境質量指數為0.9669，這表明保護區的森林生態系統保存完整，物種資源和生物多樣性豐富，受人類活動影響少，其生境質量相對較好。但中部區域由于海榆中線公路從保護區中部穿過，造成中部生境質量呈線性的低值區；兩側主要是由于果樹林和橡膠林成片分布，受一定人為活動影響，造成生境質量局部退化。

圖3 甘什嶺自然保護區生境質量空間分布Fig.3 Spatial Distribution of Habitat Quality of Ganshiling Nature Reserve

從保護區不同功能分區的生境質量均值和標準差上看（見表4），核心區的生境質量最高，均值為0.9978，標準差為0.0210，均要顯著優于緩沖區和實驗區，這表明核心區的生態系統質量更穩定，受干擾較小。而緩沖區和實驗區的生境質量均值分別為0.9214 和0.9638，標準差為0.1177 和0.1387，反映出實驗區的生境質量要高于緩沖區，且生境質量變化表現相對穩定。

表4 甘什嶺自然保護區生境質量均值和標準差Tab.4 Mean and Standard Deviation Change of Habitat Quality of Ganshiling Nature Reserve

4 結論與討論

4.1 結論

該文基于最新森林資源調查數據，采用Fragstats工具和InVEST 模型分析了海南省甘什嶺自然保護區的景觀格局與生境質量狀況，得出以下結論：

（1）甘什嶺自然保護區景觀類型以林地為主，其次為水域，最少的為建設用地。從細分景觀類型來看，林地景觀類型中以喬木林為主，占總面積的85.51%；其次為果樹林；橡膠林、檳榔林和相思林面積占比較少。

（2）在景觀格局上，保護區喬木林斑塊數量較少，平均斑塊面積和最大斑塊指數均為最大，景觀聚集度也是最高，這表明喬木林景觀呈集中連片分布，受人為干擾較低。而保護區內的建設用地景觀斑塊數量最多，平均斑塊面積最小，斑塊形狀也較為復雜，聚集程度最低。

（3）甘什嶺自然保護區的生境質量呈現出中間區域高、兩側低的分布格局，總體生境質量指數為0.9669，其中核心區的生境質量最高、實驗區次之、緩沖區最低，且核心區生境質量表現更穩定。

4.2 討論

甘什嶺自然保護區景觀類型以林地為主，其中又以喬木林為優勢景觀類型，面積占比達85.51%，主要分布在保護區中部海拔較高區域，平均斑塊面積和最大斑塊指數均為最大，景觀聚集度也是最高，受人為干擾較低，表現出優良的生境質量和生物多樣性水平，這也與保護區以珍稀野生動植物資源及其生境為主要保護對象的目標相吻合。在保護區功能分區上，甘什嶺自然保護區的核心區生境質量最高、實驗區次之、緩沖區最低，其中實驗區和緩沖區主要受到人口密度、土地利用強度等密集的社會經濟活動影響，對生境質量產生了威脅，并導致生境的喪失和退化。具體來看，海榆中線公路從保護區實驗區穿過，建設用地等人為景觀斑塊分布較多，人口活動密集，造成生境質量較低，因此建議在實驗區合理規劃建設范圍，禁止建設用地隨意擴大，避免生境破碎化加劇。在緩沖區，主要是在兩側的果樹林和橡膠林成片分布，受一定人為活動影響，造成生境質量局部退化，因此建議在該區域考慮適當的生態修復措施，恢復自然植被，提升區域生境質量。